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SSC-LINAC高能加速段的设计研究

乔舰  
【摘要】:为减轻SFC(Sector Focusing Cyclotron)的供束压力,提高HIRFL的效率,改善供束能力,增加供束时间,中国科学院近代物理所为SSC(Separate Sector Cyclotron)增建直线注入器——SSC-LINAC,使SSC和SFC实现分时供束。既实现了SFC、SSC、CSR独立并行供束,有效提高了HIRFL的运行效率,同时也兼顾了作为CSRm的前级注入器,改善了束流品质,并可以在超重核实验能区进行强流连续束的实验,进一步在整体上提高HIRFL系统的综合性能。SSC-LINAC作为SSC的注入器,为SSC提供0.58MeV/u和1.025MeV/u的强流连续重离子束流,经SSC增能后,引出5.5MeV/u和10.7MeV/u的重离子束,为各实验终端和CSRm供束。SSC-LINAC主要由超导源SECR、低能束流传输线(LEBT)、四极场直线加速器(RFQ)、中能束流匹配线(MEBT)、漂移管直线加速器主加速段(IH-DTL)和高能束流传输注入线(HEBT)构成。本论文课题主要针对SSC-LINAC的高能加速段的漂移管直线加速器DTL3展开,分别针对53.667MHz和107.334MHz两个频率进行设计。其中的DTL3的主要技术要求有:1)加速粒子的质荷比3~7;2)设计参考粒子238U34+,流强为0.1mA,从0.58MeV/u加速到1.025MeV/u;3)以连续波模式工作;4)出口相宽小于±20°。为此,本文首先回顾DTL加速器的原理、束线传输理论和国际上相关的结构的发展现状,然后阐述了DTL3腔体结构设计过程。根据KONUS动力学原理,进行漂移管直线加速器的动力学设计和模拟。之后利用微波工作室CST,基于动力学设计结果进行电磁设计仿真和腔体优化。在KONUS动力学设计过程中,将加速、横向聚焦、纵向聚束三者分离,0相位加速,必将引发束流在横向的散焦,进而引起横纵向发射度不同水平的增长。同时,由于入口束团在纵向能散和相宽较大,而SSC的横、纵向接受度较小,为设计工作带来较大难度。动力学设计过程中,在保证能量的基础上,主要关注横、纵向发射度的增长和出口相宽的控制,最终将相对归一化发射度增长控制在20%范围内,将出口相宽控制在±20°范围内。对比两个频率(53.667MHz和107.334MHz)下的动力学设计结果,并根据实际需求情况,最终选择对53.667MHz的方案进行进一步深入设计。在电磁设计时,主要关注的谐振腔体的高频特性参数有:频率、Q值、有效分路阻抗、间隙轴向电场、横向二极场、轴向场分布、腔体功耗、最大表面电场以及腔体Kp值。基于初步设计方案,研究了各部分元件包括腔体内径、漂移管孔径和壁厚、T型板、底切及横梁对腔体的影响,得出一些优化高频特性的规律性结论,为提高腔体的分路阻抗及运行稳定性提供理论依据。根据这些研究结果,优化得出53.667MHz的IH-DTL谐振腔体的Q值为13800,间隙轴向最大电场为3.683MV/m,腔体功耗为24.6kW,最大表面电场为11.96MV/m,腔体Kp值为1.3,腔体有效分路阻抗为265MΩ/m,满足动力学设计要求。


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